Металлы, используемые в архитектурных целях, включают свинец для водопроводных труб, кровли и окон; олово, отформованное в жесть; цинк, медь и алюминий для различных применений, включая кровлю и отделку; и железо, которое имеет конструкционное и другое применение в виде чугуна или кованого железа или превращено в сталь. Металлические сплавы, используемые в строительстве, включают бронзу (главным образом медь и олово); латунь (медь и цинк); металлический монель и нейзильбер, состоящие преимущественно из никеля и меди; и нержавеющая сталь с важными компонентами никеля и хрома.
Низкая температура плавления свинца позволила его широко использовать на протяжении всей истории человечества. Свинец был одним из первых, кто стал использовать листовой металл для архитектурных целей. Водопроводные трубы часто изготавливались из свинца, пока в конце 19 века не стало известно о его опасности для здоровья.
Свинец не подвержен ржавчине и на протяжении веков был популярным кровельным материалом, который использовался для кровли, гидроизоляции, желобов, водосточных труб и головок проводников. Свинец лучше всего подходит для пологих крыш, поскольку крутые крыши подвержены ползучести. Свинцовые крыши в регионах с большими колебаниями температуры, таких как среднеатлантические штаты, подвергались разрушению из-за постоянного расширения и сжатия, что называется усталостью. Начиная с XIX века использовался кровельный материал под названием «терне» или «тернеплате», состоящий из листового железа или листовой стали, покрытых свинцово-оловянным сплавом. Его часто путают с жестью.
Свинец также часто использовался для оконных стекол в мансардных окнах и витражей. Его также использовали для изготовления небольших скульптур и садовых украшений. Свинец часто добавляли в краску: сурик использовали в качестве антикоррозионного пигмента для железа, а свинцовые белила использовали в качестве краски для деревянных домов. Краска на основе свинца была одним из самых прочных материалов, разработанных в качестве защитного наружного покрытия. Использование свинцовой краски в большинстве зданий было ограничено из-за опасений отравления свинцом.
Олово слишком мягкое, чтобы его можно было использовать само по себе в архитектурных целях, поэтому его обычно можно разделить на две категории: сплав олова с другими металлами, такими как медь, с образованием бронзы и покрытие оловом более твердых металлов, таких как луженое железо или сталь. Архитектурная бронза обычно содержит около 90% меди и 10% олова, хотя содержание может сильно различаться. Термин «жестяной потолок» является неправильным, и первые производители не использовали это название. Однако людей, работавших с листовым металлом, называли жестянщиками, поэтому этот термин мог возникнуть от этого названия.
Белая жесть представляла собой тип архитектурного материала, состоящего из листового железа или стали, покрытой оловом. «Жестяные крыши», разновидность белой жести, первоначально использовались для изготовления брони, но со временем стали кровельным материалом. Белая жесть также использовалась для украшения, например, декоративных окон, дверных перемычек и жестяных потолков. Декоративная штамповка из жести была доступной альтернативой штукатурке. Хотя жесть по-прежнему доступна сегодня для потолков, кровли и гидроизоляции, она обычно считается дорогой, поскольку первоначальная стоимость превышает стоимость обычных современных типов кровли, таких как асфальтовая черепица или сборные крыши. Ухоженная крыша или потолок из жести обычно служат в несколько раз дольше, чем современные материалы, и являются более экономичными, если принять во внимание более длительный срок службы.
Чистый цинк использовался для кровельных работ в Бельгии, Франции и Германии, где он заменил более дорогую медь и свинец в кровельных покрытиях. Начиная с 1820-х годов бельгийский листовой цинк импортировался в Америку и использовался строителями в Нью-Йорке и других местах. Чистый цинк подвержен ползучести при обычных температурах.
Металлы с цинковым покрытием были впервые запатентованы в 1837 году отдельно М. Сорелем во Франции и Х. У. Кроуфордом в Англии. В этих методах использовался процесс «горячего погружения» для покрытия листового железа цинком. К 1839 году в Нью-Йорке уже использовалась кровля из «оцинкованного» листового железа. Торговая биржа на Манхэттене была одним из первых зданий с оцинкованной крышей и желобами. На некоторые кровельные листы из оцинкованных листов были нанесены узоры — популярная техника в викторианскую эпоху.
Цинк также отливали для скульптур и декоративных элементов в Германии и Австрии еще в 1832 году. Декоративные архитектурные элементы часто отливали из цинка, поскольку он легко поддавался формованию, был недорогим по сравнению с камнем и мог быть окрашен для имитации более дорогих металлов. К концу XIX века штампованные гирлянды, розетки, геральдические лилии и листья аканта стали популярным декоративным украшением как экстерьера, так и интерьера.
Краски на основе оксида цинка были нетоксичны и устойчивы к загрязнениям. Они стали коммерчески успешными и легкодоступными в Америке примерно в 1850 году и широко использовались примерно с 1870-х годов. У них было дополнительное преимущество: они были хорошими ингибиторами ржавчины на железе и стали.
В первые десятилетия 20-го века в США сократилось использование кровли и украшений из чистого цинка. Сейчас он набирает популярность в чистом виде (99,95%) для строительных материалов. Обычно цинк архитектурного класса состоит из чистого цинка на 99,995 процентов с небольшим количеством титана для снижения коэффициента теплового расширения и улучшения прочности на разрыв и твердости, а также меди для улучшения обрабатываемости. Точный состав сплава зависит от производителя и является определяющим фактором цвета конечной патины цинка. Со временем на цинке образуется характерная патина, трансформирующаяся из блестящего серебра в матовый голубовато-серый цвет. Некоторые производители предлагают предварительно патинированную отделку, позволяющую ускорить процесс естественного патинирования. Цинк до сих пор используется в таких сплавах, как латунь и нейзильбер, а также при гальванике стали. Сегодня оцинкованная сталь и материал из чистого цинка, обычно панели с двойным стоячим фальцем, используются для кровли различных зданий. Ползучесть была уменьшена за счет введения титана в большинство строительных цинков, доступных в Северной Америке. Также распространены оцинкованные гвозди и воздуховоды из листового металла.
Цинк архитектурного класса на 90–95 % перерабатывается. Затраты на замену незначительны, а срок службы составляет от 80 до 100 лет для цинковой кровли и от 200 до 300 лет для стеновых систем. Долговечность является ключевым компонентом долговечности. По окончании срока службы цинковые строительные изделия можно перерабатывать неограниченное количество раз без потери химических или физических свойств. Использование цинка архитектурного класса может помочь зданию получить сертификат LEED благодаря высокому содержанию переработанного цинка и устойчивости.
Медь — очень прочный металл, противостоящий коррозии при образовании голубовато-зеленой патины, состоящей из карбонатов, сульфатов, сульфидов и хлоридов меди. Листовая медь, используемая для кровли, легче деревянной черепицы и намного легче шифера, черепицы или свинца. Кровельную медь можно легко сложить в водонепроницаемые швы или придать ей форму изогнутых каркасов куполов и куполов.
Первоначальная стоимость меди была традиционно высокой, но срок службы с лихвой компенсировал цену. Меди также можно было придать форму изгибам и углам вокруг дымоходов, а также по краям крыш и слуховым окнам. Все гвозди, шурупы, болты и планки, используемые с листовой медью, должны быть изготовлены из меди или медного сплава, в противном случае произойдет гальваническое действие между разнородными металлами, вызывающее ухудшение качества.
Медь также использовалась в декоративных целях, включая архитектурные украшения, сайдинг, потолки или скульптуры. Одним из известных примеров является Статуя Свободы.
Медные сплавы, используемые в архитектуре, включают бронзу (сплав меди и олова) и латунь (сплав меди и цинка).
Хотя и довольно редко, но никель использовался для покрытия архитектурных деталей. Никель чаще всего используется для строительных компонентов в виде сплавов: нейзильбера, монеля и нержавеющей стали.
Никель-серебро первоначально называлось «немецким серебром» до Первой мировой войны. Его называли «белой латунью», но, вероятно, его следует называть «никелевой латунью», поскольку оно обычно содержит 75% меди, 20% никеля и 5% цинка. Разное процентное соотношение дает различные цвета, включая серебристо-белый, желтый, слегка голубой, зеленый или розовый. Фурнитура из никелевого серебра была популярна в США в периоды ар-деко и современной депрессии. Архитекторы и дизайнеры предпочитали мельхиор, потому что он мог сохранять соответствующую отделку и устойчив к коррозии.
Металлический монель представляет собой сплав, состоящий примерно на две трети из никеля и на одну треть из меди. По цвету он похож на платину. Монель был пионером во многих современных применениях нержавеющей стали. Первое архитектурное использование монеля было для покрытия железнодорожного вокзала Пенсильвании в Нью-Йорке в 1909 году. В 1936 году медная крыша Публичной библиотеки Нью-Йорка на Пятой авеню и 42-й улице была заменена металлической крышей из монеля. Его преимущества как кровельного материала включали возможность пайки, сварки или пайки на месте, чтобы обеспечить водонепроницаемое непрерывное покрытие. Монель был популярен в период ар-деко. Во время Второй мировой войны большое количество никеля и меди было перенаправлено на военные нужды, а поставки монеля значительно сократились. После войны нержавеющая сталь и алюминий заменили монель из-за более низких производственных затрат.
Железо стало важным компонентом архитектурного здания. Он использовался в четырех распространенных формах: кованое железо, чугун, листовое железо и сталь.
Кованое железо использовалось для изготовления мелких структурных и декоративных элементов, начиная с 18 века. До середины 19 века использование кованого железа в зданиях обычно ограничивалось небольшими предметами, такими как стяжки, ремни, гвозди и скобяные изделия, или декоративными изделиями из железа на балконах, перилами, заборами и воротами. Примерно в 1850 году его структурное использование стало более распространенным, поскольку чугунолитейные заводы начали прокатывать рельсы, луковичные тройники и, в конечном итоге, двутавровые балки. Его также использовали в декоративных целях, например, для украшения балконов или оборудования. Поскольку кованое железо изготавливается вручную, не существует двух одинаковых изделий.
Чугун был основным строительным материалом XIX века во время промышленной революции. Несмотря на хрупкость, он чрезвычайно силен при сжатии. Его часто использовали в структурных целях, например, для колонн, фасадов зданий, куполов и световых дворов. Декоративное использование включало лестницы, лифты, перемычки, решетки, веранды, балконы, перила, заборы, уличные фонари и гробницы. Здание Брэдбери является примером обширного декоративного чугуна. Сегодня чугун используется для изготовления сантехнического оборудования и трубопроводов в новом строительстве, а его структурное и декоративное использование время от времени используется в рамках методов сохранения исторического наследия.
Листовое железо может подвергаться быстрой коррозии, образуя ржавчину. Листовое железо использовалось на протяжении всего 19 века, хотя неясно, насколько широко стали распространены крыши из листового железа. Прессованное декоративное листовое железо, используемое для потолков, часто называлось «жестяным потолком», который на самом деле представлял собой листы железа, окунутые в расплавленное олово, чтобы предотвратить их ржавление.
Сталь появилась в строительной отрасли в конце 19 века. Развитие металлоконструкций в середине 19 века позволило строить высотные здания. Строители и производители обратились к стали, которая была прочнее чугуна на сжатие и кованого железа на растяжение. Когда в 1856 году в Англии был разработан бессемеровский процесс и изобретен мартеновский процесс, сталь производилась в количествах, позволявших быть экономичными. Мосты, железнодорожные компании и небоскребы были одними из первых крупномасштабных применений конструкционной стали. Хотя железо и сталь не горючи, они теряют прочность при пожаре, если их не защитить от тепла. Почти вся конструкционная сталь должна быть каким-либо образом «огнестойкой» с использованием облицовки из терракоты, плитки, гипсобетона, торкрет-бетона или набрызг-изоляции. Ферробетон, также называемый железобетоном, был разработан в конце 19 века, когда в бетон добавили стальную проволоку.
К декоративным сталям, используемым в зданиях, относятся:
Как и медь, алюминий обладает высокой устойчивостью к коррозии. Он также имеет дополнительное преимущество: он на треть легче стали при сопоставимой прочности. Алюминий также можно легко и многократно перерабатывать. Подсчитано, что из примерно 900 миллионов тонн алюминия, произведенного с 1880 года, три четверти все еще находится в продуктивном использовании, 35% из которых приходится на строительство зданий.
Алюминий был недоступен по разумной цене или в достаточных количествах для общего архитектурного использования до начала 20 века. В 1920-х годах архитектурное использование алюминия увеличилось, в основном для декоративных деталей. Его использовали для кровли, гидроизоляции, желобов, водосточных труб, стеновых панелей и перемычек. В дизайне ар-деко часто используется алюминий для декоративных элементов. Первым широко использованным алюминием в строительстве стал Эмпайр-стейт-билдинг, где вся часть башни сделана из алюминия, а также многие декоративные элементы, такие как входы, двери лифта, декоративная отделка и около 6000 оконных перемычек. Сегодня алюминий часто используется в строительстве, за исключением основных элементов конструкции.